CN110609567A - 一种面向四旋翼无人机的卫星惯性组合导航终端欺骗方法 - Google Patents

Abstract

一种面向四旋翼无人机的卫星惯性组合导航终端欺骗方法，步骤为：步骤S1：获取无人机飞行控制律；根据四旋翼无人机的非线性欠驱动动力学特性，利用基于积分反步法的PID控制法得到无人机飞行控制律；步骤S2：构建的四旋翼无人机内环控制器；利用水平方向上的间接控制输入量与期望姿态角之间的代数关系，搭建位置控制器与姿态控制器之间的桥梁，进而实现四旋翼无人机的闭环反馈控制；步骤S3：对四旋翼无人机在接入虚假卫星信号后进行姿态控制；根据构建的四旋翼无人机内环控制器，对接入虚假卫星信号后的无人机位置欺骗偏移对姿态的影响机理进行分析处理，最终对四旋翼无人机进行姿态控制。本发明具有容易实现、能够提高无人机控制效果等优点。

Description

一种面向四旋翼无人机的卫星惯性组合导航终端欺骗方法

技术领域

本发明主要涉及到无人机控制技术领域，特指一种面向四旋翼无人机的卫星惯性组合导航终端欺骗方法。

背景技术

无人飞行器一般可分为固定翼无人机和旋翼无人机。与固定翼无人机相比，旋翼无人机具有其独特的优势。由于能够垂直起降、自由悬停等飞行动作，所以旋翼无人机可适应各种速度及各种飞行剖面航路的飞行状况，使得其在各个领域都具有广泛的应用。

全球定位***(Global Positioning System,GPS)/惯性导航***(InertialNavigation System,INS)的组合导航是旋翼无人机***导航、制导与控制的核心技术之一。但是由于导航卫星信号十分微弱，故应用卫星导航终端的旋翼无人机GPS/INS组合导航***容易受到转发式或欺骗式等恶意干扰。从干扰的隐蔽性来说，欺骗式干扰的效果要明显优于其他类型干扰，它可使得目标无人机无意识地被攻击。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种容易实现、能够提高无人机控制效果的面向四旋翼无人机的卫星惯性组合导航终端欺骗方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种面向四旋翼无人机的卫星惯性组合导航终端欺骗方法，其步骤为：

步骤S1：获取无人机飞行控制律；

根据四旋翼无人机的非线性欠驱动动力学特性，利用基于积分反步法的PID控制法得到无人机飞行控制律，包括位置控制律和姿态控制律；

步骤S2：构建的四旋翼无人机内环控制器；

利用水平方向上的间接控制输入量与期望姿态角之间的代数关系，搭建位置控制器与姿态控制器之间的桥梁，进而实现四旋翼无人机的闭环反馈控制；

步骤S3：对四旋翼无人机在接入虚假卫星信号后进行姿态控制；

根据构建的四旋翼无人机内环控制器，对接入虚假卫星信号后的无人机位置欺骗偏移对姿态的影响机理进行分析处理，最终对四旋翼无人机进行姿态控制。

作为本发明的进一步改进：在步骤S3中，接入虚假卫星信号后的无人机位置欺骗偏移对姿态的影响包括无人机接入虚假卫星信号后，卫星/惯性组合导航输出的位置信息会发生偏移。

作为本发明的进一步改进：在步骤S3中，接入虚假卫星信号后的无人机位置欺骗偏移对姿态的影响包括无人机位置的欺骗偏移效果会直接导致水平方向上间接控制输入量u_x、u_y，以及垂直方向上直接控制输入量u_z的变化。

作为本发明的进一步改进：在步骤S3中，接入虚假卫星信号后的无人机位置欺骗偏移对姿态的影响包括间接控制输入量u_x、u_y会导致期望横滚角φ和俯仰角θ发生变化，进而改变姿态的控制输入量u_i(i＝2,3,4)。

作为本发明的进一步改进：在步骤S3中，接入虚假卫星信号后的无人机位置欺骗偏移对姿态的影响包括将发生变化的直接控制输入量u_i(i＝1,2,3,4)、以及间接控制输入量u_x、u_y代入到非线性四旋翼无人机动力学模型中，最终不仅会使得无人机的位置发生真实的欺骗偏移，而且会使得其姿态的变化。

作为本发明的进一步改进：还包括：

步骤S4：攻击方利用第三方测量设备设备观测估算无人机的飞行状态信息，包括其位置速度和加速度信息；

步骤S5：根据估算的飞行状态信息攻击方采用PID控制算法，计算出迫使无人机跟踪欺骗轨迹的控制输入量a^s，进而结合步骤S4获取的无人机估计飞行状态信息攻击方设计虚假卫星信号。

作为本发明的进一步改进：还包括步骤S6：设定欺骗器规划的欺骗轨迹始终依据无人机原定的参考轨迹而缓慢常值拉偏。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明面向四旋翼无人机的卫星惯性组合导航终端欺骗方法，不仅可根据利用欺骗式干扰技术构造的虚假卫星信号实现四旋翼无人机隐蔽性定点捕获或定向驱离等操作，而且能在整个欺骗过程中保证四旋翼无人机的稳定性飞行，即位置的欺骗偏移不会产生较大的姿态变化，这些在众多应用中都是十分有重要的。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图。

图2在本发明在具体应用实例中的原理示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明的一种面向四旋翼无人机的卫星惯性组合导航终端欺骗方法，其步骤为：

步骤S1：获取无人机飞行控制律；

根据四旋翼无人机的非线性欠驱动动力学特性，利用基于积分反步法的PID控制法得到无人机飞行控制律，包括位置控制律和姿态控制律。

步骤S2：构建的四旋翼无人机内环控制器；

利用水平方向上的间接控制输入量与期望姿态角之间的代数关系，搭建位置控制器与姿态控制器之间的桥梁，进而实现四旋翼无人机的闭环反馈控制。

步骤S3：对四旋翼无人机在接入虚假卫星信号后进行姿态控制；

根据构建的四旋翼无人机内环控制器，对接入虚假卫星信号后的无人机位置欺骗偏移对姿态的影响机理进行分析处理，最终对四旋翼无人机进行姿态控制。

在具体应用实例中，在步骤S1中，四旋翼无人机的非线性动力学模型如下式描述：

其中，x、y和z分别为机体的位置坐标，φ、θ和ψ分别为机体的横滚角、俯仰角以及偏航角，m为机体的质量，l为两机翼的长度，J_x、J_y和J_z分别为机体围绕x、y、z轴旋转的转动惯量，T_i(i＝1,2,3,4)分别为机体的升力，Q_i(i＝1,2,3,4)分别为机体的阻力。

式(1)的四旋翼无人机动力学模型可简化为：

其中，u_i(i＝1,2,3,4)分别为模型控制输入，可由四旋翼无人机四个旋翼螺旋桨的转速Ω₁、Ω₂、Ω₃、Ω₄求得，即

根据四旋翼无人机的非线性欠驱动特性，本发明采用基于积分反步法的PID控制算法设计无人机飞行控制率。首先定义：

将式(2)写成两个而满足反步法所要求的严反馈形子***，即

其中，

b₁＝l/J_x，b₂＝l/J_y，b₃＝l/J_z，

u_x＝cosx₁sinx₃cosx₅+sinx₁sinx₅，u_y＝cosx₁sinx₃sinx₅-sinx₁cosx₅

姿态控制器：

首先分析姿态控制中的横滚角控制律设计方法，定义横滚角跟踪误差e_φ为：

e_φ＝φ-φ_d＝x₁-x_1d (4)

其中，φ_d＝x_1d为期望的横滚角。

加入积分项Γ_φ＝∫e_φdt，选择李雅普诺夫函数V₁为：

其中，k_φ为正常数。

式(5)的导数为：

将当作虚拟控制量，当期望的虚拟控制为：

可使得其中c₁为正常数。

通过上一步中虚拟控制与期望的虚拟控制的误差可以得到：

对上式进行求导运算，即

选择关于e_φ、Γ_φ和e_φ2的李雅普诺夫函数V₂为：

它的导数形式为：

假定期望的有如下形式：

可使得其中c₂为正常数。

对比式(9)和式(12)，可得横滚角控制输入量u₂为：

通过式(13)可以看出，横滚角控制输入量u₂具有PID控制器的形式，即比例参数：

积分参数：I_φ＝-c₁k_φ

微分参数：D_φ＝c₁+c₂

俯仰角θ和航向角ψ的控制机理与横滚角φ的控制机理相似。首先定义俯仰角跟踪误差e_θ为：

e_θ＝θ-θ_d＝x₃-x_3d (14)

e_ψ＝ψ-ψ_d＝x₅-x_5d (15)

其中，θ_d＝x_3d为期望的俯仰角，ψ_d＝x_5d为期望的航向角。

根据式(13)，可得俯仰角控制输入量u₃和航向角控制输入量u₄为：

其中，Γ_θ＝∫e_θdt，Γ_ψ＝∫e_ψdt，c₃、c₄、k_θ、c₅、c₆和k_ψ为非负的控制器参数，

同时，通过式(16)和(17)可以看出u₃和u₄具有PID控制器的形式，即比例参数：

积分参数：I_θ＝-c₃k_θ，I_ψ＝-c₅k_ψ

微分参数：D_θ＝c₃+c₄，D_ψ＝c₅+c₆

位置控制器：

无人机位置的控制机理与姿态的控制机理相似。首先定义位置跟踪误差e_x1、e_y1和e_z1为：

e_z1＝z-z_d＝x₇-x_7d (18)

e_x1＝x-x_d＝x₉-x_9d (19)

e_y1＝y-y_d＝x₁₁-x_11d (20)

其中，z_d＝x_7d、x_d＝x_9d和y_d＝x_11d为期望的位置。

根据式(13)，可得垂直方向直接控制输入量u₁、水平方向间接控制输入量u_x、u_y分别为：

其中，c_x1、c_x2、k_x1、c_y1、c_y2、k_y1、c_z1、c_z2和k_z1为非负的控制器参数，Γ_x＝∫e_xdt，Γ_y＝∫e_ydt，Γ_z＝∫e_zdt，且

在具体应用实例中，在步骤S2中，具体地，本发明将欠驱动的位置状态x和y中含有姿态角的三角函数部分u_x和u_y分别当作各自间接的控制输入量来设计。经过设计的间接控制输入量u_x和u_y满足某种关系式的姿态量可以当作姿态控制过程中横滚角φ和俯仰角θ的目标函数，即：

φ_d＝x_1d＝sin^-1(u_xsinx₅-u_ycosx₅) (23)

同时，式(23)和式(24)构建了位置控制器和姿态控制器之间的桥梁，进而实现四旋翼无人机的内环控制。

在具体应用实例中，在步骤S3中，具体包括：

a、无人机接入虚假卫星信号后，卫星/惯性组合导航输出的位置信息会发生偏移；

b、无人机位置的欺骗偏移效果会根据式(22)至(24)，直接导致水平方向上间接控制输入量u_x、u_y，以及垂直方向上直接控制输入量u_z的变化；

c、间接控制输入量u_x、u_y会根据式(23)和式(24)，导致期望横滚角φ和俯仰角θ发生变化，进而改变姿态的控制输入量u_i(i＝2,3,4)；

d、将发生变化的直接控制输入量u_i(i＝1,2,3,4)、以及间接控制输入量u_x、u_y代入到式(2)的非线性四旋翼无人机动力学模型中，最终不仅会使得无人机的位置发生真实的欺骗偏移，而且会使得其姿态的变化。

姿态的巨大变化一方面很容易被检测设备所捕获而影响欺骗的隐蔽性，另一方面当其超过飞行的物理极限时，会导致无人机发生坠落危险。

针对此，在具体应用实例中，本发明进一步提出利用轨迹诱导的欺骗方法，具体包括：

步骤S4：攻击方利用第三方测量设备设备(如地面雷达等)观测估算无人机的飞行状态信息，包括其位置速度和加速度信息。

步骤S5：攻击方的目标是使得无人机跟踪欺骗轨迹本专利采用PID控制算法，计算出控制输入量a^s为：

其中，为欺骗控制参数矩阵。

无人机的目标则是使得无人机跟踪参考轨迹(r_d,v_d,a_d)，因此在构造虚假卫星信号时，需要将无人机自身控制的影响考虑在内。结合步骤S4获取的无人机估计飞行状态信息和步骤(5)获取的欺骗控制输入量a^s，攻击方设计如下所示的虚假卫星信号的加速度分量a^*，即：

通过积分运算，求解得到各个时刻虚假卫星信号的位置x^*和速度v^*信息，即

在具体应用实例中，本发明进一步包括步骤S6：设定欺骗器规划的欺骗轨迹始终依据无人机原定的参考轨迹而缓慢常值拉偏，即

其中，λ为一个不随时间变化且阈值较小的参数。

设定如式(29)的目标避免了单一时刻位置的突然较大变化而引起的无人机姿态突变，这一优化设计既增强欺骗算法的隐蔽性又确保了欺骗过程中无人机飞行的稳定性。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种面向四旋翼无人机的卫星惯性组合导航终端欺骗方法，其特征在于，步骤为：

步骤S1：获取无人机飞行控制律；

根据四旋翼无人机的非线性欠驱动动力学特性，利用基于积分反步法的PID控制法得到无人机飞行控制律，包括位置控制律和姿态控制律；

步骤S2：构建的四旋翼无人机内环控制器；

利用水平方向上的间接控制输入量与期望姿态角之间的代数关系，搭建位置控制器与姿态控制器之间的桥梁，进而实现四旋翼无人机的闭环反馈控制；

步骤S3：对四旋翼无人机在接入虚假卫星信号后进行姿态控制；

根据构建的四旋翼无人机内环控制器，对接入虚假卫星信号后的无人机位置欺骗偏移对姿态的影响机理进行分析处理，最终对四旋翼无人机进行姿态控制。

2.根据权利要求1所述的面向四旋翼无人机的卫星惯性组合导航终端欺骗方法，其特征在于，在步骤S3中，接入虚假卫星信号后的无人机位置欺骗偏移对姿态的影响包括无人机接入虚假卫星信号后，卫星/惯性组合导航输出的位置信息会发生偏移。

3.根据权利要求1所述的面向四旋翼无人机的卫星惯性组合导航终端欺骗方法，其特征在于，在步骤S3中，接入虚假卫星信号后的无人机位置欺骗偏移对姿态的影响包括无人机位置的欺骗偏移效果会直接导致水平方向上间接控制输入量u_x、u_y，以及垂直方向上直接控制输入量u_z的变化。

4.根据权利要求1所述的面向四旋翼无人机的卫星惯性组合导航终端欺骗方法，其特征在于，在步骤S3中，接入虚假卫星信号后的无人机位置欺骗偏移对姿态的影响包括间接控制输入量u_x、u_y会导致期望横滚角φ和俯仰角θ发生变化，进而改变姿态的控制输入量u_i(i＝2,3,4)。

5.根据权利要求1所述的面向四旋翼无人机的卫星惯性组合导航终端欺骗方法，其特征在于，在步骤S3中，接入虚假卫星信号后的无人机位置欺骗偏移对姿态的影响包括将发生变化的直接控制输入量u_i(i＝1,2,3,4)、以及间接控制输入量u_x、u_y代入到非线性四旋翼无人机动力学模型中，最终不仅会使得无人机的位置发生真实的欺骗偏移，而且会使得其姿态的变化。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的面向四旋翼无人机的卫星惯性组合导航终端欺骗方法，其特征在于，还包括：

步骤S4：攻击方利用第三方测量设备设备观测估算无人机的飞行状态信息，包括其位置速度和加速度信息；

步骤S5：根据估算的飞行状态信息攻击方采用PID控制算法，计算出迫使无人机跟踪欺骗轨迹的控制输入量a^s，进而结合步骤S4获取的无人机估计飞行状态信息攻击方设计虚假卫星信号。

7.根据权利要求6所述的面向四旋翼无人机的卫星惯性组合导航终端欺骗方法，其特征在于，还包括步骤S6：设定欺骗器规划的欺骗轨迹始终依据无人机原定的参考轨迹而缓慢常值拉偏。